Эффективные современные технологии устройства буроинъекционных свай и грунтовых инъекционных анкеров
С.А. РЫТОВ, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова
Буроинъекционные сваи являются разновидностью буронабивных сваи, и были разработаны в Италии в начале 50-х годов для усиления памятников истории и зданий, получивших серьезные повреждения после второй мировой войны [1, 2]. Основным требованием для такой системы усиления явилось восприятие действующих и предполагаемых нагрузок в ходе эксплуатации или после реконструкции зданий с минимальным вмешательством в существующую застройку.
Изначальное название свай «palo radice» или «root pile» (корневидные сваи) отражало специфику их работы. Современное название свай в зарубежной литературе - «micropile» (микросваи).
Термин «micropile»(микросваи) отражает характерные особенности такой разновидности свай, а именно:
большая гибкость L/D = 80-120.
малый диаметр D = 120-300 мм.
материал свай - цементный раствор.
способ изготовления - инъекция раствора в скважину.
Буроинъекционные сваи по характеру работы относят к висячим сваям («shaft bearing» pile), так как вклад пяты в несущую способность сваи, как правило, мал. Поэтому несущую способность буроинъекционной сваи набирают за счет увеличения ее боковой поверхности (длины) и улучшения контакта «свая - грунт».
Объем применения буроинъекционных и других буровых свай малого диаметра за прошедшие годы вырос в десятки раз. Существенно обогатился опыт решения с их помощью сложных задач фундаментостроения. Разработаны новые технологические схемы устройства свай, создано новое отечественное и зарубежное оборудование, позволившее кардинально изменить ряд технологических операций и на этой базе резко повысить несущую способность свай. В данной статье рассмотрены наиболее эффективные современные технологии устройства свай и анкеров.
Любая технологическая схема устройства свай предусматривает следующие операции:
- бурение,
- армирование,
- инъекция раствора.
Необходимость совершенствования технологий вызвана необходимостью восприятия постоянно растущих нагрузок, снижения стоимости СМР, увеличения темпов строительства, технологии должны быть универсальны для изготовления свай и анкеров.
В последних зарубежных разработках в области технологий устройства буроинъекционных свай просматривается стремление к объединению указанных технологических операций в одну с обеспечением необходимого уровня качества и надежности. Для этого, например фирма «Ischebeck Gmbh» использует одноразовые буровые колонны, оставляемые в скважине в качестве трубчатой арматуры (см. рис. 1). В зависимости от грунтовых условий применяют различные буровые коронки (см. рис. 2).
Рисунок 1. Технологическая схема устройства буроинъекционных свай сваи Titan (Ischebeck Gmbh). I - Бурение скважины с промывкой рабочей жидкостью теряемой буровой колонной. II - Замещение рабочей жидкости бетоном. III - Готовая свая.
Условные обозначения. 1 - винтовая высокопрочная полая арматура, 2 - рабочая жидкость, 3 -буровая коронка, 4 - бетон, 5 - соединительная муфта.
Рисунок 2. Вид долота.
Фирма «Dywidag» применяет высокопрочную арматуру винтового профиля для упрощения армирования сваи (см. рис. 3, 4).
Рисунок 3. Технологическая схема устройства буроинъекционных свай сваи GEWI (Dywidag). I, II - Устройство скважины и заполнение ее бетоном, III - Погружение одиночной арматуры с закрепленными на ней трубками для инъекции. IV - Инъекция бетона через инъекционные трубки.
Условные обозначения. 1 - проходной шнек, 2 - клапан шнека, 3 - клапаны для инъекции, 4 - одиночный центральный стержень из высокопрочной арматуры с винтового профиля, 5 - инъекционные трубки.
Рисунок 4. Высокопрочная арматура винтового профиля фирмы «Dywidag».
Для повышения несущей способности сваи применяют вторичную опрессовку через инъекционные трубки с клапанами (см. рис. 5).
Рисунок 5. Клапан вторичной инъекции (указан стрелкой), закрепленный на высокопрочной арматуре винтового профиля
Для обеспечения надежного результата и обеспечения качественной опрессовки на одной инъекционной трубке располагают порядка 3-х клапанов (так как заранее неизвестно какой из клапанов «сработает»).
Той же фирмой разработана конструкция для многократной вторичной инъекции, которая осуществляется через промываемые инъекционные трубки (рис. 6, 7).
Рисунок 6. Инъекционные трубки (указаны стрелками) для многократной вторичной инъекции.
Рисунок 7. Поперечное сечение сваи, показанной на рис. 6.
Условные обозначения. 1 - высокопрочная арматура, 2 - первичная антикоррозионная защита из бетона, 3 - вторичная антикоррозионная защита из пластмассовой гофрированной трубы, 4 - бетон первичной инъекции, 5 - промываемые инъекционные трубки, 6 - бетон вторичной инъекции.
Описанные технологии устройства свай имеют преимущества и недостатки. Например, армирование свай одиночным стержнем менее эффективно, чем армирование пространственным каркасом. Выполнение многократной инъекции через трубки высокого давления осложнено тем, что после очередной инъекции можно вообще не промыть трубки. К сожалению, в России не налажен выпуск высокопрочной полой арматуры винтового профиля. Кроме того, теряемое долото с экономической точки зрения менее выгодно.
Основные преимущества технологических схем, приведенных на рис. 1, 3 - сокращение сроков устройства свай (за счет упрощения технологической схемы), простота стыковки арматурного каркаса. Одним из положительных моментов является то, что для уменьшения величины защитного слоя и повышения коррозионной стойкости конструкции можно использовать пластмассовые гофрированные трубы. Армирование одиночным стержнем на муфтовом соединении позволяет отказаться от сварочных работ (что достаточно актуально для подвальных помещений), сократить время стыковки.
Фирма «Soilex» разработала свою конструкцию и технологию устройства буроинъекционных свай и анкеров. Суть технологии состоит в бурении скважины любым способом, обеспечивающим устойчивость стенок скважины. Далее производится установка трубы с расширяющимся металлическим мешком на конце, выполненным из очень тонкого металлического листа. Затем производится подача под давлением твердеющего раствора в трубу (см. рис. 8).
Рисунок 8. Технологическая схема устройства свай по технологии фирмы "Soilex". I - бурение скважины станком CFA (НПШ), II - Извлечение буровой колонны с одновременным заполнением скважины бетоном, III - погружение армокаркаса с расширяющимся металлическим мешком, IV - инъектирование бетона в расширяющийся металлический мешок.
Условные обозначения. 1 - буровая колонна для бурения методом CFA, 2 - бетон, 3 - армокаркас, 4 - расширяющийся металлический мешок.
Поперечное сечение сваи фирмы «Soilex» показано на рис. 9.
Рисунок 9. Поперечное сечение сваи фирмы «Soilex». 1 - расширяющийся металлический мешок, 2 - мелкозернистый бетон.
Данная технология имеет ряд недостатков. Для расширения металлического мешка изготовители вынуждены использовать чисто цементный раствор. К отставляемому металлическому мешку требуется установка каркаса. Свая, выполненная по данной технологии, работает только по пяте. Однако, если по геологии нет достаточно хорошего несущего слоя, который может служить основанием для пяты сваи, то применение такого типа свай нецелесообразно.
В качестве альтернативы зарубежным технологиям в Московском строительстве с 1990 г. применяется электроразрядная геотехническая технология (ЭРГТ) для устройства буроинъекционных свай и анкеров [3, 4]. Технология основана на использовании энергии электрических разрядов в скважинах, заполненных мелкозернистым бетоном (см. рис. 10).
Рисунок 10. Технологическая схема устройства свай с применением ЭРГТ. I - Бурение скважины. П - Заполнение скважины бетоном. III - Электроразрядная обработка тела сваи. IV - Погружение каркаса в твердеющий бетон.
Обозначения. 1 - проходной шнек, 2 - клапан, 3 - излучатель для обработки по ЭРГТ, 4 - каркас.
ЭРГТ позволяет уплотнить грунты в стенках и на забое скважины ударными волнами, возникающими при высоковольтных разрядах в подвижной бетонной смеси и сопровождающимися несколькими пульсациями образующейся парогазовой полости. Грунты вблизи стенки скважины при этом испытывают высокие гидродинамические давления импульсного типа, быстро спадающие с расстоянием от источника. При электроразрядной обработке используется серия импульсов с интервалом в несколько секунд, тем самым, обусловливая многократное динамическое воздействие на грунтовый массив.
Для реализации ЭРГТ применяются установки УЭГ-30 (50) (установка электроразрядная для геотехнических работ с энергозапасом 30 (50) кДж).
Электроразрядная установка представляет собой генератор мощных высоковольтных импульсов с кабельной системой транспортировки энергии и энерговыделяющим устройством (электродная система с разрядным промежутком для формирования рабочего канала разряда).
В состав установки УЭГ-30 входят электроразрядный генератор (конденсаторные батареи, системы зарядки, управления и безопасности), система транспортировки энергии (кабели, коммутирующие элементы), энерговыделяющие узлы (излучатель), автономное электропитание.
Основные технические характеристики установки УЭГ-30:
Энергозапас установки - до 30 кДж.
Напряжение зарядки батареи до 10,0 кВ.
Напряжение питания - 380/220 В, 50 Гц.
Потребляемая мощность - 7,5 кВА.
Масса оборудования - не более 1500 кг.
Установка УЭГ-30 смонтирована в закрытом металлическом корпусе с жесткой рамой (см. рис. 11). Установка сертифицирована и прошла соответствующие испытания [7].
Рисунок 11. Установка УЭГ-30 (установка электроразрядная для геотехнических работ с энергозапасом 30 кДж).
Применение ЭРГТ в каждом конкретном случае должно базироваться на корректной оценке реакции грунтов основания на такую нагрузку. Возможные реакции грунтов на динамические нагрузки приведены на рис. 12 [5].
Рисунок 12. Возможные реакции грунтов на динамические нагрузки.
Для водонасыщенных песков в данной технологической схеме используется эффект разжижения (полная потеря прочности) слоя на контакте «свая-грунт» ударной волной, порождаемой в твердеющем бетоне. Для глин используется механизм динамического уплотнения разрыхленного бурением слоя на контакте «свая-грунт».
Как правило, при ЭРГТ обработке тела свай в связных грунтах значительных уходов бетона не наблюдается. Данное поведение объясняется высокой амплитудой импульса и малым интервалом его действия (время измеряется микросекундами).
Необходимо отметить, что можно с помощью ЭРГТ обработки можно получить и обратные эффекты. Например, многократное динамическое воздействие для песков может привести к частичному разуплотнению (см. рис. 12), для глин - к снижению прочности (см. рис. 13 (б)).
Рисунок 13. Динамика восстановления прочности тиксотропной системы (а) и квазитиксотропных природных грунтов (б, в)
Основное преимущество данной технологии состоит в том, что опрессовка скважины производится на том горизонте, где она наиболее эффективна, и в том количестве, которое необходимо для получения заданного результата. Данная технология снижает влияние технологии устройства скважины на несущую способность сваи (например, ликвидация бентонитовой корки при бурении под бентонитовым раствором, уплотнение контактного слоя, разрыхляемого при бурении, ликвидация «шеек» и т.д.). С особой осторожностью данную технологию необходимо применять для усиления существующих фундаментов, основанием которых служат несвязные грунты, склонные к динамическому доуплотнению. В связи с этим, ЭРГТ обработку рекомендуется применять вне активной зоны усиляемого фундамента для снижения риска доуплотнения основания здания и как следствие увеличения дополнительной осадки.
Дальнейшим развитием ЭРГТ для устройства свай явилось применение электрохимического взрыва (ЭХВ). Отличительной особенностью ЭХВ является введение в зону разрядного промежутка специальных химсоставов, которые увеличивают в несколько раз выделяемую энергию разряда, изменяют форму импульса ударной волны. Составы, применяемые при ЭХВ, не являются взрывчатыми веществами. Применение ЭХВ позволяет получать камуфлетные уширения концов свай (рис. 14 камуфлетное уширение сваи диаметром 300 мм, выполненное с применением ЭХВ).
Рисунок 14. Камуфлетное уширение сваи диаметром 300 мм, выполненное с применением ЭХВ.
Технологическая схема устройства свай с применением ЭХВ приведена на рис. 15.
Рисунок 15. Технологическая схема устройства свай с применением ЭХВ. I - Бурение скважины. II - Заполнение скважины бетоном. III - ЭХВ обработка пяты сваи. IV - Погружение каркаса в твердеющий бетон.
Обозначения. 1 - проходной шнек, 2 - клапан, 3 - излучатель, 4 - картридж со специальным составом для ЭХВ обработки, 5 - каркас, 6 - камуфлетное уширение.
Данная технология совместима с технологической схемой, показанной на рис. 10 для значительного повышения несущей способности свай (в том числе для буронабивных свай большого диаметра).
ЭРГТ обработка и ЭХВ обработка за счет уплотнения забоя скважины снижает общую осадку свайного фундамента.
Патентный поиск показал, что существует одна из разновидностей электроразрядной технологии (см. рис. 16 разрядноимпульсная технология, патент 2087617 С1, 6Е02Д5/34)
Рисунок 16. Технологическая схема устройства буроинъекционных свай РИТ* (разрядноимпульсная технология, патент 2087617 С1, 6Е02-Д5/34). I - Устройство скважины и заполнение ее рабочей жидкостью, II, III - Расширение скважины РИТ-обработкой, IV - Замещение рабочей жидкости бетоном, V, VI - погружение арматурного каркаса в твердеющий бетон.
Условные обозначения. 1 - скважина, заполненная рабочей жидкостью, 2 - штанга, 3 - электрический излучатель, 4 - бетон, 5 - каркас.
Отличительной особенностью указанной технологии является устройство скважины чуть больше диаметра излучателя на 1-м этапе. Скважина для РИТ-обработки заполняется рабочей жидкостью. Далее производится РИТ-обработка скважины для обеспечения заданного проектного диаметра сваи. Обеспечение требуемого проектного диаметра может повлечь обратные эффекты (частичное разуплотнение, снижение прочности), описанные выше.
Фирма «ГЕОТЕХНИКА» применяет свою технологию (сваи «ГЕО»). Технологическая схема устройства свай показана на рис. 17. Вторичная опрессовка производится через клапан, размещаемый в каркасе (см. рис. 17).
Рисунок 17. Технологическая схема устройства буроинъекционных свай «ГЕО» с применением вторичной инъекции. I - бурение скважины с применением проходных шнеков, II, III - Извлечение буровой колонны с одновременной опрессовкой скважины через клапан шнека (первичная опрессовка), IV - погружение армокаркаса в твердеющий бетон, V - вторичная опрессовка сваи через клапан армокаркаса.
Условные обозначения. 1 - проходной шнек, 2 - клапан шнека, 3 - армокаркас, 4 - инъекционная трубка, 5 - клапан армокаркаса, 6 - бетон вторичной инъекции.
К возможным недостаткам данной технологии можно отнести многодельность каркаса. При первичной опрессовке через проходной шнек возможно запрессовка буровой колонны (если по разрезу есть сухие пески). После устройства практически каждой сваи требуется промывание всей буровой колонны. По технологии вторичная опрессовка может выполняться на любом горизонте, где она наиболее эффективна (для этого на каркасе клапан необходимо установить в нужном горизонте), однако из-за единообразия клапан располагается в нижней части скважины.
Рисунок 18. Клапан для вторичной инъекции (указан стрелкой).
Выводы:
В статье выполнен анализ наиболее эффективных отечественных и зарубежных современных технологий для устройства буроинъекционных свай и анкеров.
Показаны отличительные особенности технологий устройства буроинъекционных свай, анкеров фирмы «Ischebeck Gmbh», фирмы «Dywidag», фирмы «Soilex», фирмы «ГЕОТЕХНИКА», отличительные особенности электроразрядной геотехнической технологии, технологии электрохимического взрыва, разрядноимпульсной технологии (патент 2087617 С1, 6Е02Д5/34). Описаны установки УЭГ-30 (50) (установка электроразрядная для геотехнических работ с энергозапасом 30 (50) кДж), применяемые для реализации электроразрядной геотехнической технологии.
Проанализированы возможные реакции грунтов при применении электроразрядной геотехнической технологии для устройства буроинъекционных свай, анкеров.
Показана тенденция развития технологий устройства буроинъекционных свай и анкеров.
Литература
Lizzi F. Root-pattern piles underpinning. Proc. symposium on bearing capacity of piles. Roorkee, 1964.
LizziF. The static restoration of monuments. Sager publisher. Genova, 1982.
Джантимиров Х.А., Рытов С.А., Юдович Б.Э. Новейшие геотехнические технологии, конструкции и материалы. НИИОСП- 70 лет. Труды института, 2001.
Рытов С.А. Электроразрядная технология для устройства свай и анкеров. Реконструкция городов и геотехническое строительство, № 8. Санкт-Петербург. Издательство «АСВ», 2004 г.
Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов. М.: Эдиториал УРСС. 1999. 263 с.
Кондриков Б.Н. и др. Взрывные превращения электрической и химической энергий. Киев, Наукова думка, 1987.
В.П. Смирнов, Е.Г. Крастелев, В.М. Нистратов и др. Мобильная установка для электроразрядного разрушения горных пород и строительных конструкций. Горный журнал, № 11, 1999, стр. 56-58,